DE2603249A1

DE2603249A1 - Mit einem kaeltemittel betriebener dampfmotor

Info

Publication number: DE2603249A1
Application number: DE19762603249
Authority: DE
Inventors: Edgard Ing Grad Grundmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1977-08-04
Also published as: US4122756A

Description

VOLKSWAGE IT WERK 28. Jan. 1976

Aktiengesellschaft
3180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2089
1702-pt-hu-sa

Mit einem Kältemittel "betriebener Dampfmotor

Die Erfindung betrifft einen mit einem Kältemittel betriebenen Dampfmotor mit unter dem Druck des dampfförmigen Kältemittels ihr Volumen ändernden Expansionsräumen für dieses, die mit einer Kurbelwelle in Verbindung stehen und denen Ein- und Auslaßvorrichtungen zugeordnet sind.

Für den Betrieb derartiger Dampfmotoren besonders geeignet sind als Kältemittel halogenisierte Kohlenwasserstoffe, wie sie beispielsweise unter dem Warenzeichen "Prigen" im Handel sind. Sie sind ungefährlich, greifen die erforderlichen Dichtungen zumindest nicht in nennenswertem-Maße an und besitzen relativ niedrige Verdampfungstemperaturen, so daß sie auch im Rahmen der Gewinnung kinetischer Energie aus relativ kleinen Temperaturdifferenzen Einsatz finden können. Der erfindungsgemäße Dampfmotor kann daher im Rahmen einer Gesamtanordnung Verwendung finden, in der mittels eines ersten Wärmetauschers, der mit durch Sonnenenergie erwärmtem Wasser betrieben wird, das Kältemittel verdampft wird und in der mittels eines dem Motor nachgeschalteten zweiten Wärmetauschers, der mit auf üblicher

ο Temperatur, beispielsweise 20 bis 25 C, befindlichem Wasser

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betrieben wird, die endgültige Kondensation des Kältemittels erfolgt. Zwischen dem Ausgang des zweiten Wärmetauschers für das Kältemittel und dem Eingang des ersten Wärmetauschers für dasselbe kann dann eine Pumpe für das Kältemittel angeordnet sein. Dies ist verständlicherweise nur ein Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Dampfmotors.

Die Ausnutzung der Vorteile derartiger Kältemittel, die also bereits kleine Temperaturdifferensen auszunutzen gestatten, erfordert aber einen besonderen Aufbau des Dampfmotors. Da die Dampfdrücke solcher Kältemittel teilweise relativ klein sind, muß der Motor möglichst reibungsfrei ausgebildet sein. Daher können die Expansionsräume nicht ohne weiteres in für Motoren bekannter Weise durch Kolben-Zylinder-Anordnungen gebildet sein. Schon aus diesem Grund und auch im Hinblick auf die relativ geringe zur Verfugung stehende Eingangsenergie des Dampfmotors wird man auch von den üblichen Ventilanordnungen und Ventilantrieben abgehen müssen. Weiterhin ist zu beachten, daß gerade aus halogenisierten Kohlenwasserstoffen bestehende Kältemittel zwar in für die Schmierung der verschiedenen Teile des Dampfmotors vorteilhafter Weise Schmierstoffe lösen und demgemäß auch in feine Spalte transportieren, wodurch auch Dichtprobleme automatisch gelöst werden, aber sie die Schwierigkeit haben, daß für einen Ablauf sich beispielsweise bei stillstehendem Motor oder bei Expansion im Naßdampfgebiet bildenden Kondensats mit mitgerissenem Schmieröl gesorgt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampfmotor der eingangs beschrieben Art so auszulegen, daß er mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand diesen durch den vorteilhaften Einsatz moderner Kältemittel gestellten Anforderungen genügt. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßvorrichtungen durch zumindest

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eine Drehschieberanordnung und die Expansionsrätune durch FaI-tenbalganordnungen gebildet sind, die tiefer als die Kurbelwelle, aber höher als die Drehschieberanordnung angeordnet sind.

Die Verwendung von Drehschieberanordnungen zur Gaswechselsteuerung ist bei Brennkraftmaschinen an sich bekannt. Drehschieberanordnungen bieten den Vorteil einer sehr geringen Reibung, der, wie eingangs erläutert, gerade hinsichtlich mit einem Kältemittel betriebener Dampfmotoren von besonderer Wichtigkeit ist.

Auch Faltenbalganordnungen, die zur Gewinnung von Expansionsräumen für Antriebsgase dienen, sind an sich bekannt. So setzt man geschweißte Metallfaltenbälge bei Pumpen für die Gasanalyse ein. Ihr Antrieb erfolgt infolge der praktisch wegfallenden Reibungskräfte nahezu verlustlos. Dieser Vorteil hat besondere Bedeutung im Rahmen eines mit einem Kältemittel betriebenen Dampfmotors, der umgekehrt im Hinblick auf die relativ geringen auftretenden Drücke der verwendeten Kältemittel den betriebssicheren Einsatz derartiger Faltenbälge mit ihrer absoluten Dichtigkeit über längere Betriebszeiten erst ermöglicht.

Durch die Anordnung der Bestandteile Drehschieberanordnung, Faltenbälge und Kurbelwelle in dieser Reihenfolge mit ansteigender Höhe schließlich wird die selbsttätige Abfuhr eines sich gegebenenfalls innerhalb des Dampfmotors bildenden Kondensats praktisch ohne zusätzliche Mittel erreicht.

Im einzelnen kann die Konstruktion so getroffen sein, daß die Drehschieberanordnung an einer der Stirnseitendes Dampfmotors mit der Kurbelwelle in Drehverbindung steht und im Bereich ihres der einen Stirnseite abgekehrten Endes einen Anschluß für das Kältemittel besitzt. Zur Vermeidung von Dichtproblemen kann die Drehschieberanordnung an der einen Stirnseite mit einer Magnetkupplung versehen sein, zwischen deren beiden Kupplungshälften sich eine aus einem den Durchtritt des magnetischen

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Flusses zulassenden Material, beispielsweise einem Kunststoff,. bestehende Wand eines abdichtenden Motorgehäuses erstreckt.

In der Regel wird man mit einer einzigen Drehschieberanordnung für Zu- und Abfuhr des Kältemittels auskommen. Eine bevorzugbe diesbezügliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Drehschieberanordnung einen kreisscheibenförmigen inneren Querschnittsbereich für die Zufuhr und einen teilringförmigen äußeren Querschnittsbereich für die Abfuhr des Kältemittels enthält, die radiale Öffnungen in den Querschnittsebenen zu den einzelnen Faltenbalganordnungen führender Kanäle in einem feststehenden Außenrohr aufweisen.

Insbesondere bei größeren "Zylinder"-Zahlen des Dampfmotors können jedoch die bei Verwendung nur eines einzigen Drehschiebers für die Zu- und Abfuhr des Kältemittels auftretenden Strömungswiderstände ins Gewicht fallen. Für diese Fälle sieht die Erfindung die Verwendung nur der Zu- bzw. nur der Abfuhr des Kältemittels dienender Drehschieberanordnungen vor.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dampfmotors anhand der Figuren erläutert, von denen Figur 1 einen Längsschnitt durch den Motor und Figur 2 eine Stirnansicht wiedergeben, während Figur 5 -die Anordnung der verschiedenen Kurbelwellenkröpfungen zeigt. Die Figuren 4 bis 7 schließlich zeigen Querschnitte durch den Drehschieber in den Ebenen der verschiedenen Kurbelwellenkröpfungen bei einer bestimmten Stellung der Kurbelwelle.

Der Dampfmotor enthält als Hauptbestandteile die Drehschieberanordnung 1, in diesem Ausführungsbeispiel vier Faltenbalganordnungen 2 bis 5 sowie die Kurbelwelle 6; diese Hauptbestandteile sind in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet, um das sichere Abfließen sich etwa in dem Dampfmotor bildenden Kondensats sicherzustellen.

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Betrachtet man zunächst den Aufbau der Drehschieberanordnung 1, so enthält sie den kreisscheibenförmigen inneren Querschnittsbereich 7 und den teilkreisringförmigen äußeren Querschnittsbereich 8; beide Querschnittsbereiche sind in den Ebenen von zu den Expansionsräumen 9 bis 12 in den verschiedenen Metallfaltenbälgen führenden,in das feststehende äußere Rohr 13 der Drehschieberanordnung 1 eingelassenen Kanälen 14 bis 17 niit ^zu diesen führenden radialen Öffnungen versehen. Diese Öffnungen sind - vgl. die Figuren 4 bis 7 - mit 18 bis 25 bezeichnet. Ihre Anordnung ist verständlicherweise entscheidend sowohl für den Gaswechsel in den einzelnen Expansionskammern 9 bis 12 als auch für das Zusammenspielen der verschiedenen Faltenbalganordnungen. Betrachtet man die Lage der verschiedenen radialen Öffnungen in den in Figur 1 mit I bis IV bezeichneten Querschnittsebenen, die den Figuren 4 bis 7 zugrundeliegen, so erkennt man, daß bei der in den Figuren angenommenen Drehstellung der Kurbelwelle 6 mit ihren über die Kolbenstangen 26 bis 29 mit den einzelnen Faltenbalganordnungen in Verbindung stehenden Abkröpfungen 30 bis 33 die radialen Öffnungen 18 und 19 in der Querschnittsebene I nicht in den Kanal 18 münden. Dagegen erfolgt b^i dieser Kurbelwellenstellung die Füllung der nächsten Expansionskammern 10 (siehe Figur 5) über den Drehwinkel al, mit dem die radiale Öffnung 20 des inneren Querschnittsbereichs 7 &^er Drehschieberanordnung ausgelegt ist. Dagegen ist die Füllung der Expansionskammer 11 in der Querschnittsebene III (vgl. Figur 6) bereits beendet, da die hintere Steuerkante 34 des Drehschiebers den Kanal 16 bereits teilweise freigegeben hat; das Ausschieben des Kältemitteldampfes aus der Expansionskammer 11 hat begonnen. Der entsprechende Öffnungswinkel a2 (siehe Figur 7) ist so groß, daß das Ausschieben des Kältemitteldampfes aus der letzten Expansjonskammer 12 bei dieser Kurbelwellenstellung noch lange nicht beendet ist.

Zur Synchronisierung der Bewegungen von Kurbelwelle 6 und Drehschieberanordnung 1 ist die letztere an der in Figur 1 linken

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Stirnseite des Dampfmotors über eine an sich bekannte Kupplung 35 mit der Zahnscheibe J6 versehen, die über den Zahnriemen mit der Zahnscheibe 38 auf dem in Figur 1 linksseitigen Ende der Kurbelwelle 6 verbunden ist. Zur Lagerung der Kurbelwelle 6 dienen bekannte Rollenlager 39 bis 43 in Stützrahmen, von denen in Figur 1 nur die mit 44 und 45 bezeichneten äußeren Stützrahmen gezeichnet sind. Das in Figur 1 rechte Ende der

ist
Kurbelwelle 6/mit der Kupplung 46 zur Abnahme der gewonnenen kinetischen Energie versehen.

Betrachtet man nochmals die Faltenbalganordnungen 2 ois 5 im einzelnen, so enthalten sie jeweils einen Metallfaltenbalg bis 50, der die jeireilige Öffnung 14 bis 17 in dem äußeren Rohr 13 dichtend umgebend mit diesem verbunden ist. Die Kolbenstangen 26 bis 29 sind starr mit Kolbenplatten 51 bis 54 verbunden, die ihrerseits in die Expansionskammern 9 ois 12 hineinragende Kolben 55 bis 58 tragen. Derartige Faltenbalganordnungen bieten den Vorteil eines geringen Energieverlusts und einer hohen Haltbarkeit, insbesondere bei den Drücken, die mit der Verwendung moderner Kältemittel in kleinen Temperaturbereichen verbunden sind.

Die Kältemittelzufuhr erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel von der in Figur 1 rechten Stirnseite der Dampfmaschine her durch die Eintrittsöffnung 59» die Abfuhr des Kältemittels erfolgt durch die Öffnung 60 des äußeren Rohres 13 der Drehschieberanordnung 1 in Richtung nach unten. Die Abdichtung der Drehschieberanordnung, also letztlich des Spalts zwischen dem sich drehenden Schieber einerseits und dem feststehenden Rohr 13 andererseits, ist im Hinblick darauf nicht problematisch, daß, wie eingangs dargelegt, übliche Schmieröle sich in dem Kältemittel lösen und daher sowohl eine Schmierung als auch eine Abdichtung doij genannten Spalts sichergestellt ist.

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Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

1.J Mit einem Kältemittel "betrie"bener Dampfmotor mit unter dem Druck des dampfförmigen Kältemittels ihr Volumen ändernden Expansionsräumen für dieses, die mit einer Kurbelwelle in Verbindung stehen und denen Ein- und Auslaßvorrichtungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßvorriehtungen durch zumindest eine Drehschieberanordnung (i) und die Expansionsräume durch Faltenbalganordnungen (2-5) gebildet sind, die tiefer als die Kurbelwelle (6), aber höher als die Drehschieberanordnung (1) angeordnet sind.

2. Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieberanordnung (1) an einer der Stirnseiten des Dampfmotors mit der Kurbelwelle (6) in Drehverbindung steht und im Bereich ihres der einen Stirnseite abgekehrten Endes einen Anschluß (59) für das Kältemittel besitzt.

3. Dampfmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieberanordnung (1) an der einen Stirnseite mit einer Magnetkupplung versehen ist, zwischen deren beiden Kupplungshälften sich ei:ie aus einem den Durchtritt des magnetischen Flusses zulassenden Material bestehende Wand eines abdichtenden Motorgehäuses erstreckt.

4· Dampfmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Faltenbalganordnungen (2-5) nur der Zu- bzw. nur der Abfuhr des Kältemittels dienende Drehschiebaranordnungen zugeordnet sind.

5· Dampfmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieberanordnung (1) einen kreisscheibenförmigen inneren Querschnittsbereich (7) für die Zufuhr und einen teilringförmigen äußeren Querschnittsbereieh (8) für die Abfuhr des Kältemitteis enthält, die radiale Öffnun-

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ORiQlNAL INSPECTED

gen (18-25) in den Querschnittsebenen zu den einzelnen ;

Faltenbalganordnungen (2-5) führender Kanäle (14-17) in |

einem feststehenden Außenrohr (1?) aufweisen. ^!

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